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1 Module Procédés Low carbon

Capture, utilisation et stockage du CO2 Grégoire Léonard

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Sommaire

1. Contexte

2. Capture du CO2

3. Valorisation du CO2

4. Stockage du CO2

5. Défis et conclusion

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1. Contexte

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1. Contexte

=> 2 Objectifs difficilement conciliables

• Limiter les émissions de gaz à effet de serre (principalement le CO2)

• Assurer l’approvisionnement énergétique (croissance de 33% d’ici 2035!, surtout non-OCDE), provenant à 82% d’énergies fossiles (75% en 2035).

Source : IEA 2013, World energy outlook 2013

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1. Contexte

=> Techniques CCS (CCUS) de captage, stockage et/ou ré-utilisation du CO2.

=> Capter/capturer le CO2… bonne idée. Mais lequel?

Source : IEA 2012, CO2 emissions from fossil fuels

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1. Contexte

Source : Rapport McKinsey sur le CCS, 2008

=> Émissions stationnaires et à grande échelle de CO2

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1. Contexte

Quel impact potentiel du CCS dans l’avenir?

Source : IEA 2011, WEO2011; IEA 2012, WEO 2012.

Objectif Scenario 450ppm : limiter le réchauffement à 2°C

=> 22% de la réduction des émissions de CO2 proviendrait du CCS

Tendance actuelle: 1 à 9% de la génération d’électricité d’ici 2035

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2. Capture du CO2

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2. Capture du CO2

La capture du CO2 = technologie exploitée depuis des décénnies

=> Installations commerciales de capture du CO2

=> Quels usages?

Mais…

- relativement petite échelle

- coût de capture très élevé! Le rendement de centrale perd 33%!

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2. Capture du CO2

3 principales technologies:

1. Capter le CO2 formé lors de la combustion dans les fumées (séparation du CO2 des gaz de combustion = surtout l’azote de l’air)

=> Décarbonisation des fumées = Capture post-combustion

2. Enlever le C du combustible (séparation du CO2 de l’hydrogène après gazéification du combustible solide)

=> Décarbonisation du combustible = Capture pré-combustion

3. Brûler le combustible avec de l’oxygène pur (séparation du CO2 de l’eau)

=> Combustion Oxyfuel

Source : Mathieu, 2011

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2. Capture du CO2

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Capture post-combustion

2. Capture du CO2

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2. Capture du CO2

Caractéristiques d’un solvant chimique

Source : Lionel Dubois, UMons, 2011

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2. Capture du CO2

Principaux solvants employés: Amines

=> primaires, secondaires ou tertiaires (MEA, DEA, MDEA)

Meilleure énergie de régénération

Meilleure cinétique d’absorption

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2. Capture du CO2

Solvant de référence: Monoethanolamine 30% en solution aqueuse

Avantages: cinétique d’absorption rapide, disponibilité, coût, maturité

Inconvénients: grande énergie de régénération, dégradation, corrosion

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2. Capture du CO2

MEA, DEA et quelques solvants aminés alternatifs:

- 1 = ethanolamine, MEA

- 2 = ethylenediamine

- 3 = piperazine (PZ)

- 4 = 2-amino-2-methyl-1-propanol (AMP);

- 5 = 2-amino-2-(hydroxymethyl)propane-1,3-diol (Tris);

- 6 = 2,2'-iminodiethanol (diethanolamine, DEA)

- …

Source : Jackson P, Fisher KJ, Attalla MI - J. Am. Soc. Mass Spectrom. (2011)

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2. Capture du CO2

D’autres alternatives qui ont fait/font l’objet d’études:

- Chilled Ammonia: NH3 à basse température

- Carbonate de potassium : K2CO3

- Acides aminés (non volatiles, insensibes à l’O2)

- Liquides organiques (en absence d’eau)

- Solvants démixants

=> à la recherche du graal…

Source : Heldebrant et al., 2009; Raynal et al., IFP, 2011

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2. Capture du CO2

Technologies de 3ème génération : Alternatives aux solvants chimiques

=> Les membranes

Défis: Coût, échelle, impuretés dans les fumées, …

=> R&D en cours pour réduire le coût de la capture post-combustion du CO2 à différentes échelles

Source : Bellona website

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Capture pré-combustion

2. Capture du CO2

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2. Capture du CO2

Principales réactions en jeu:

A noter: La teneur en CO2 du gaz à traiter étant plus élevée, la capture peut ici se faire à l’aide de solvants physiques

Reaction Name Equation

Reaction enthalpy

(MJ/kmol CH4)

1 Steam reforming CH4 + H2O CO + 3H2 206,2

2 Partial oxidation CH4 + ½ O2 CO + 2H2 -35,7

3 Water-shift reaction CO + H2O CO2 + H2 -41

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2. Capture du CO2

Cas particulier: IGCC (integrated gasification combined cycle)

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2. Capture du CO2

Capture pré-combustion

- Technologie en développement, assez proche de la maturité

- Combustion partielle entraîne la présence d’oxydes d’azote dans les fumées

- Hydrogène comme vecteur énergétique

- Turbines à gaz sous hydrogène doivent être améliorées

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Oxy-combustion / Combustion Oxy-fuel

2. Capture du CO2

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2. Capture du CO2

Oxy-combustion: défis

- Séparation de l’air: Coût et débits (14Mt/j – 3.6Mt/j actuellement)

- Environnement enrichi en oxygène => matériaux spécifiques à développer!

- Température et caractéristiques de flamme

- …

=> Pilote en Allemagne (30 MWth) en activité depuis 2008

Source : Strömberg et al., Energy procedia 1, 581-589, 2009

Combustion à l’air Combustion oxyfuel

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Cas particulier: chemical looping

- Pas d’installation de séparation d’air au sens classique

- La combustion n’implique que de l’oxygène

2. Capture du CO2

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Méthode Avantages Défis

Post-combustion • Maturité • Rétrofit (CCR)

• Coût énergétique • Emissions secondaires

Pré-combustion • H2

• Coût intéressant

• Pas de rétrofit • NOx • Turbines à gaz H2

Oxycombustion • Coût intéressant • Simplicité du procédé • Qualité de la combustion • 100% de capture

• Séparation de l’air • Rétrofit difficile • Milieu oxygène (matériaux)

Chemical looping • Avantage énergétique • Choix du métal (cinétique de réaction) • Cendres • Maturité

Autres techniques • Coûts réduits? • Maturité

2. Capture du CO2

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+ biotechnologies: algues, micro-organismes, …

2. Capture du CO2

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2. Capture du CO2

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Quiz: quel type de capture?

2. Capture du CO2

Source : Bellona website

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3. Valorisation du CO2

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3. Valorisation du CO2

Le CO2, un déchet ou une matière première?

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3. Valorisation du CO2

Panorama des voies de valorisation du CO2, Rapport ADEME, France, 2010

Source : www2.ademe.fr/servlet/getDoc?cid=96&id=72052&m=3&p1=30&ref=12441

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3. Valorisation du CO2

Récupération assistée d’hydrocarbures

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3. Valorisation du CO2

Récupération assistée d’hydrocarbures:

- 40 Mtonnes de CO2/an (2008)

- Consommation énergétique pour la compression et l’injection du CO2

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3. Valorisation du CO2

Utilisations industrielles du CO2

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3. Valorisation du CO2

Utilisations industrielles du CO2:

- Haut niveau de pureté exigé (99,99%)

- Potentiel de croissance de cette filière moins important (20 Mtonnes de CO2/an)

- Le CO2 n’est pas stocké durablement

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3. Valorisation du CO2

Synthèse organique:

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3. Valorisation du CO2

Synthèse organique:

- Déjà largement utilisée pour la production d’urée (100Mtonnes CO2/an)

- Potentiel présent, mais limité: actuellement, seulement 6-7% du pétrole est utilisé pour la pétrochimie

- Energie nécessaire aux synthèses constitue un frein

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3. Valorisation du CO2

Autres cas où le CO2 est revalorisé chimiquement:

Mais…

- de toutes ces molécules, c’est le CO2 qui contient le moins d’énergie

- source d’énergie renouvelable nécessaire pour la viabilité de tels procédés

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3. Valorisation du CO2

Minéralisation du CO2

Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O

- Utilisation de minerai ou de déchets industriels comme matières premières

- Réaction spontanée, mais lente

- Les carbonates servent de base à la production de ciment

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3. Valorisation du CO2

Culture de microalgues

=> Photosynthèse

Limitations : - surface pour les cultures (12t CO2/an pour Niederaussem)

- énergie nécessaire pour reprocessing

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3. Valorisation du CO2

Culture de microalgues

=> Applications diverses

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3. Valorisation du CO2

Autres voies en exploration:

- Electrolyse

- Thermochimie

- Biocatalyse

- Reformage sec

- …

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4. Stockage du CO2

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4. Stockage du CO2

Capture – Transport – Stockage

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4. Stockage du CO2

Transport du CO2

- Par bateau:

- 100 000 tonnes transportées/an (~1000t CO2/bateau)

- Technologie similaire au LPG, mais à améliorer

- CO2 liquéfié (-30°C, 15 bar)

- Par pipeline:

- CO2 supercritique (100bar)

- 3000 km de pipeline aux USA depuis les années 1970 pour la RAH

- Attention à la formation d’hydrates

Source : www.sccs.org.uk

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4. Stockage du CO2

Source : www.sccs.org.uk

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4. Stockage du CO2

Effet de la profondeur sur la densité du CO2

Source : RECCS plus, final report, Wuppertal institute for Climate, Environment, Energy

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4. Stockage du CO2

Différentes méthodes de stockage du CO2

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4. Stockage du CO2

- Aquifères salins: grande capacité, mais géologie encore peu connue et donc incertitudes sur les propriétés de tels réservoirs

- Champs de gaz et de pétrole: Capacité limitée, mais géologie connue, et efficacité du stockage démontrée

- Mines de charbon: capacité très limitée, perméabilité faible, mais possibilité de récupération de méthane

Source : Institut Royal des Sciences Naturelles de Belgique

Ancien charbonnage d’Eisden

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4. Stockage du CO2

Potentiel de stockage en Europe

Sleipner : 1Mtonne/an depuis 1996

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4. Stockage du CO2

Et dans le monde…

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4. Stockage du CO2

Paramètres pour le choix du lieu de stockage:

- Capacité: liée à la taille de la formation géologique, et surtout à sa porosité

- Injectabilité: liée à la perméabilité des roches

- Stabilité: il est nécessaire qu’il y ait une formation imperméable située au-dessus du réservoir de CO2

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4. Stockage du CO2

Paramètres pour le choix du lieu de stockage:

- Profondeur supérieure à 800 m (CO2 supercritique)

- Profondeur inférieure à 1500 m (pour une perméabilité et porosité suffisantes)

- Capacité minimale: 100 Mtonnes de CO2

- Proximité des lieux d’émissions de CO2

Source : www.ieaghg.org

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4. Stockage du CO2

• Au début, le CO2 diffuse jusqu’aux parois et est piégé par le couvercle

• Puis le CO2 est de plus en plus piégé dans les porosités

• Enfin il est dissous et minéralisé

• Échelle de temps très longue!

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4. Stockage du CO2

Minéralisation in-situ

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4. Stockage du CO2

Monitoring des sites de stockage nécessaire

- Imagerie sismique 3D et 4D

- Gravimétrie

- Monitoring par satellite (détecte les mouvements à la surface de la terre)

- …

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4. Stockage du CO2

Le principe n’est pas neuf : stockage saisonnier du gaz naturel

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4. Stockage du CO2

Site de stockage saisonnier de Loenhout (Anvers)

Source : www.fluxys.com

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4. Stockage du CO2

Cas du lac Nyos (Cameroun, 1986):

- CO2 d’origine volcanique

- Près de 1700 victimes en une nuit!

=> Gestion du risque!

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5. Défis et conclusions

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5. Défis scientifiques

Source : Rapport McKinsey sur le CCS, 2008

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5. Défis techniques

De nombreux défis technologiques à relever, ne fut-ce qu’en fonction des quantités de CO2 émises quotidiennement!

=> ~ 8Mtonnes CO2 sur le temps

de cette présentation

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5. Défis économiques

- Implémentation des technologies CCS prévue au départ à partir de 2020

- Technologie transitoire

- Coût actuel :

50-60$/tonne CO2

=> 20$/tonne CO2

Sources: Feron, 2009; Mathieu, 2011

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5. Défis sociétaux

Perception des techniques de capture du CO2 par le public:

• Giving a definition of CCS: Non-responses : 55%

Incorrect responses: 27%

• After detailed technical information:

– Without opinion : 20%

– Good opinion concerning capture : 62,2%

– Good opinion concerning transport : 58,3%

– Less favourable opinion for storage : 48%

=> with « Nimby » effect

Source : Patrick Gravé and Olivier Joly – Trondheim – December 2010

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5. Défis politiques

2008: appel de la commission européenne à la construction de 12 installations de démonstration de la technologie pour 2015

Cadre législatif à créer

- Directive européenne date de 2009 concernant le stockage de CO2

- Transposée dans le droit de différents pays

Mais :

- Investissements sont trop lourds pour le secteur privé seul

- Soutien demandé aux états

- Revenus censés provenir en partie de l’ETS

- Prix de la tonne de CO2 trop bas!

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5. Défis politiques

Décisions avant tout politiques…

A trancher:

agir maintenant pour favoriser l’implémentation du CCS?

ou prendre le risque d’attendre 5-10 ans que les technologies s’améliorent, “une fois la crise financière passée”…?

A vous de vous faire votre avis!

Merci pour votre attention !

D’autres questions?

g.leonard@ulg.ac.be